Yllättävä mittakaavakerros
PTFE on määritetty sen tarttumattomaksi{0}}pinnaksi. Alhainen pintaenergia hylkii vettä, vastustaa tarttumista ja estää useimpien kalkkien kiinnittymisen. Silti käyttäjät huomaavat toisinaan kovan, tarttuvan hilsekerroksen PTFE-lämmönvaihdinputkissa kuukausien käytön jälkeen. Tarttumaton pinta näyttää epäonnistuneen.
Vaaka ei ole PTFE-materiaalin ominaisuuden vika. Se on laiminlyöntiä lämpötilarajoissa, joissa tämä omaisuus toimii. Seinän kriittisen lämpötilan yläpuolella kattilakiven muodostumisen fysiikka ylittää PTFE:n tarttumisenestoedun. Kalkki ei sitoudu kemiallisen adheesion kautta, vaan eri mekanismin kautta: kiteinen lukittuminen polymeerin pintaan.
Kaksi skaalausmekanismia
Kalkkia muodostuu lämmönvaihtimen pinnoille kahden erillisen mekanismin kautta. Ensimmäinen on hiukkaskerrostuminen: bulkkiliuoksessa esi-muodostuneet kiteet laskeutuvat pinnalle ja tarttuvat van der Waalsin voimien kautta. PTFE:n alhainen pintaenergia vastustaa tehokkaasti tätä mekanismia. Heikot vetovoimat eivät voi voittaa hiukkasten taipumusta jäädä takaisin virtaavaan liuokseen.
Toinen mekanismi on pintakiteytys: liuenneet ionit saostuvat suoraan lämmönsiirtopinnalle. Tämä tapahtuu, kun seinän lämpötila muuttaa paikallisia pitoisuuksia. Käänteiliukoisten suolojen, kuten kalsiumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin ja kalsiumfosfaatin, liukoisuus heikkenee lämpötilan noustessa. Järjestelmän kuumimmasta pinnasta-lämmönvaihtimen putken seinästä- tulee ensisijainen sadepaikka.
Pintakiteytys ei vaadi kemiallista tarttumista. Kiteet ydintyvät rajakerroksessa suoraan putken seinämän viereen ja kasvavat sitten pinnan mikro{1}}karheudeksi. Kasvava kide lukittuu fyysisesti polymeeripinnan topografian kanssa. Tämä mekaaninen lukitus ei vaadi kemiallista sidosta, eikä pieni pintaenergia estä sitä.
Taulukko 1: Skaalan vakavuus vs. PTFE-seinämän lämpötila tavallisille pinnoituskylpysaostuksille
| Seinän lämpötila ( aste ) | Kalsiumsulfaattivaaka | Kalsiumkarbonaattivaaka | Metallihydroksidiliete | Skaalan tartuntavoima |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimaalinen | Minimaalinen | Löysä, helposti huuhdeltava | Erittäin heikko |
| 80-100 | Kevyt talletus | Kevyt talletus | Kohtalainen sitoutuminen | Heikko |
| 100-120 | Kohtalainen mittakaava | Kohtalainen mittakaava | Lujasti kiinnitetty | Kohtalainen |
| 120-140 | Raskas kideasteikko | Raskas mittakaava | Vahvasti sidottu | Vahva |
| 140-160 | Vakava, nopea kertyminen | Vakava | Vaikea poistaa | Erittäin vahva |
| >160 | Äärimmäiset sateet | Äärimmäistä | Vaatii mekaanisen poiston | Äärimmäistä |
Tiedot kalsiumsulfaatista rikkihappo-kalsiumia sisältävistä kylvyistä; kalsiumkarbonaatti kovan veden järjestelmistä; metallihydroksidit rautaa ja alumiinia sisältävistä elektrolyyteistä. Tarttuvuus mitataan vesisuihkun poistopaineella.
Seinän lämpötilan liipaisin
Siirtyminen hallittavasta ongelmalliseen hilseilyyn tapahtuu seinämien lämpötiloissa 100 ja 120 asteen välillä yleisimmillä saostumilla. Alle 100 asteen pinnan kiteytymisnopeus on hidas. PTFE:n alhainen pintaenergia tarjoaa merkittävää hyötyä estämällä kiteen alkuvaiheen muodostumisen, joka johtaa mekaaniseen lukittumiseen.
120 asteen yläpuolella kiteytysnopeus kiihtyy eksponentiaalisesti. Rajakerros ylikyllästyy nopeasti. Kiteet ydintyvät runsain mitoin, ylittäen minkä tahansa ytimen muodostumisvastuksen matalan{3}}energian pinnasta. Kun ohut kidekerros muodostuu, seuraava kidekasvu tapahtuu olemassa olevassa mittakaavassa, ei PTFE:ssä. PTFE:n pintaenergialla ei ole merkitystä.
Höyrynpaine ohjaa suoraan seinän lämpötilaa. Höyry 3 barg:ssa tuottaa 143 asteen kyllästyslämpötilan, jolloin seinämän lämpötila on 120-140 astetta. Tämä on vaaravyöhyke, jossa skaalaus siirtyy haitasta ongelmaksi. 6 barg:n höyry työntää seinän lämpötilan hyvin ankaraan hilseilyjärjestelmään.
Ennaltaehkäisystrategiat
Vähennä höyryn paine minimiin, joka täyttää lämmitysvaatimukset. Matala-paineinen höyry 1-2 bargissa pitää seinämän lämpötilan alle 120 asteessa, missä PTFE:n tarttumista estävät ominaisuudet pysyvät tehokkaina. Rangaistus on suurempi vaadittu pinta-ala. Hyöty on dramaattisesti vähentynyt skaalaus.
Lisää liuosnopeutta putken pinnan poikki. Suurempi nopeus ohenee rajakerrosta, mikä lyhentää kiteen ytimen muodostumisaikaa. Se lisää myös muodostuviin kiteisiin vaikuttavaa leikkausvoimaa, mikä auttaa irrottamaan ne ennen kuin ne kasvavat riittävän suuriksi mekaanista lukitusta varten.
Käyttökohteissa, joissa korkeaa höyrynpainetta ei voida välttää, hyväksy säännöllinen kalkinpoisto. PTFE-käämien kalkinpoisto on yksinkertaisempaa kuin metallikäämillä-kalkki voidaan usein murtaa irti taivuttamalla letkua, ja kemiallisesti inertti pinta kestää happopuhdistuksen ilman korroosiota.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimen hilseily yli 150 asteen seinämän lämpötilassa tapahtuu pinnan kiteytymisen ja mekaanisen lukituksen, ei kemiallisen adheesion, kautta. PTFE:n adheesionesto--ominaisuus on todellinen, mutta sen ylittää nopea kiteytyskinetiikka korkeissa lämpötiloissa.
Seinän lämpötilan pitäminen alle 120 asteessa alennetulla höyrynpaineella säilyttää tarttumattomuuden. Suurempi liuosnopeus täydentää tätä lisäämällä syntyvien kiteiden leikkauspoistoa. Kun korkean-lämpötilojen käyttöä ei voida välttää, säännöllisestä mekaanisesta tai kemiallisesta kalkinpoistosta tulee osa huoltotöitä.
Tekniset suositukset kalkkikiven estämiseksi tietyissä PTFE-lämmönvaihdinsovelluksissa ovat saatavilla, kun liuoksen kemia, käyttölämpötila, höyrynpaine ja havaittu hilseilyhistoria on toimitettu.
